摘 要： 以MSP430F149單片機為核心，開發(fā)出一套高精度、多功能、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時，通過短消息無線通信實現(xiàn)了遠程的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，保證在無人職守環(huán)境下進行數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。
關鍵詞： MSP430單片機 GSM ADS1224 AT45DB161B
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在自動控制領域和儀器儀表生產中的應用十分廣泛。本文以MSP430F149單片機為核心，通過幾個功能模塊的擴展，開發(fā)出一套高精度、多功能、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時，該系統(tǒng)通過GSM網絡，實現(xiàn)了短消息無線通信，保證了在一些無人值守的工作場合下的遠程無線數(shù)據(jù)監(jiān)控，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
1 CPU模塊
本系統(tǒng)采用TI公司生產的MSP430F149單片機，它有以下特點：超低功耗；處理能力強大，片內寄存器眾多、尋址方式豐富、指令簡潔；片上外圍模塊豐富，集成了數(shù)十個I/O口、12位內部A/D、硬件乘法器、看門狗電路等功能電路；開發(fā)方式方便高效，使用FLASH型程序存儲器和JTAG 技術，可以實現(xiàn)在線編程；適應工業(yè)級運行環(huán)境，工作溫度范圍-40℃～+85℃。
2 數(shù)據(jù)采集模塊
2.1模擬量采集
MSP430F149片內集成了12位精度的A/D轉換模塊ADC12，具有高速（最大采樣速率可達200ksps）、通用的優(yōu)點，它可以對8個外部模擬信號之一或4個內部電壓之一進行轉換。在本系統(tǒng)中，使用A0～A2作為外部模擬信號的采集引腳。
同時，為實現(xiàn)高精度的測量，系統(tǒng)外擴了一片4通道、24位的串行AD轉換器ADS1224。ADS1224是Burr－Brown公司生產的逐次逼近式串行24位微功耗CMOS型高速A/D轉換器，線性度可達0.015％；采樣頻率為240sps；占用微處理器的端口較少；其差動輸入信號范圍為500mV～Vcc（工作電壓）。
2.2開關量采集
本系統(tǒng)實現(xiàn)了4路開關量的采集，外部開關量信號經過光電隔離后，從MSP430F149的P1.0～P1.3引入系統(tǒng)。此時，結合軟件，將P1.0～P1.3定義為外部事件的中斷輸入引腳。數(shù)據(jù)采集模塊示意圖如圖2所示。
3 人機接口模塊
3.1 4×4鍵盤
本系統(tǒng)使用矩陣式的4×4鍵盤，可實現(xiàn)參數(shù)設定、工作方式選擇等功能。其中，解決了鍵盤消抖、復合鍵判別等基本功能。
3.2 液晶LCD
本系統(tǒng)使用CA240128E型點陣式LCD顯示器。該顯示器含內建7602個常用簡體字庫、國家標準GB碼字庫、內建多組半寬字符（ASCII碼），方便編程；全屏幕點陣，點陣數(shù)為240（列）×128（行），可顯示15（列）×8（行）個（16×16點陣）漢字，也可完成圖形、字符的顯示。
3.3 微型打印機
MSP430F149提供兩個串口，本系統(tǒng)采用SP-A系列微型針式串行接口打印機，可實現(xiàn)即時打印功能。該打印機不僅可以打印漢字和ASCII字符，而且可以打印數(shù)學符號、專用符號和各種圖形曲線符號。通過編程，還可以實現(xiàn)文字和不規(guī)則圖形的混合打印，基本能滿足儀器儀表的需要。
4 數(shù)據(jù)存儲模塊
4.1 E2PROM存儲器
FM24CL64是ramtron公司生產的非易失性鐵電隨機存儲器，它采用I2C總線結構與單片機進行通信。具有8KB存儲空間，具有硬件寫保護功能，可進行100 000次編程與擦寫。E2PROM存儲器的使用，在節(jié)省系統(tǒng)資源的情況下增加了存儲容量，使得數(shù)據(jù)可長期保存不丟失，適用于配置參數(shù)、有效數(shù)據(jù)的記錄與保存。
4.2 FLASH存儲器
AT45DB161是ATMEL公司生產的串行接口的可編程閃速存儲器，它采用SPI 串行模式與MSP430F149單片機進行通信，幾乎無需外接元器件。該芯片操作方便、數(shù)據(jù)存儲量大，安全性好，并且具有封裝尺寸小、集成度高、功耗低等優(yōu)點，適用于數(shù)字語音存儲、圖像存儲和數(shù)據(jù)存儲等領域。
數(shù)據(jù)存儲模塊示意圖如圖3所示。
5 通信模塊
5.1 通信模塊硬件接口
本設計采用的GPRS功能模塊是SIMCOM公司的SIM100。SIM100是SIMCOM推出的GSM/GPRS 雙頻模塊，主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務提供無線接口。SIM100 集成了完整的射頻電路和GSM 的基帶處理器，適合于開發(fā)一些GSM/GPRS 的無線應用產品。
5.2 SIM100 的系統(tǒng)功能特性
GPRS Class 10多時隙功能，Class B操作模式；支持GSM900/DCS1800雙頻；短消息業(yè)務；電路交換語音（EFR/FR/HR）；GSM07.07， GSM07.05和增強型AT命令集；發(fā)射功率：Class 4（2W）/（EGSM），Class 1（1W）/（1800MHz）；電源電壓范圍：3.3V～4.6V直流；待機電流：4mA；外部SIM卡，外部天線；工作溫度：-35℃～+75℃。
SIM100的串行口，除了串口發(fā)送（TX）、串口接收（RX）之外， GPRS模塊還有一些硬件握手信號，如DTR、CTS、DCD等。
模塊支持外部SIM卡，可以直接與3.0V SIM卡或1.8V SIM卡連接（本設計使用的是3.0V的SIM卡）。模塊自動監(jiān)測和適應SIM卡類型。為了防止靜電損壞，在靠近SIM卡座各引腳的位置放置瞬變電壓抑制二極管（TVS管）。ESDA6V1W5是由4個單向的二極管組成的，它最高可實現(xiàn)25kV的靜電瞬變保護，而且它的芯片集成度高，體積小，適合本系統(tǒng)的需要。
5.3 通信模塊程序設計
系統(tǒng)軟件的核心部分是MSP430與GPRS無線模塊的通信，技術難點是AT命令的設置和使用。AT 命令是調制解調器的控制指令，無線信道的建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^它來完成的。MSP430以一定的協(xié)議對模塊發(fā)送AT指令,接收模塊執(zhí)行指令后的返回值，并執(zhí)行相應校驗。
系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計思想，主要分為系統(tǒng)初始化模塊、參數(shù)配置模塊、GPRS鏈路建立模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、斷開GPRS連接模塊幾部分。
軟件功能的總設計流程如圖4所示。
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以MSP430F149為核心，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精確采集、實時顯示、實時打印、實時存儲、人機交互等功能，并實現(xiàn)了短消息無線通信，保證了在一些無人值守的工作場合下的遠程無線數(shù)據(jù)監(jiān)控，具有良好的應用前景。同時，該系統(tǒng)已經成功應用于“激光車轍測試儀”、“路面彎沉儀”等裝置的研制，運行狀況良好。
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